Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

Hydroquinon Based Syntese af guld nanorods

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

Dette papir beskriver en protokol til syntese af guld nanorods, baseret på brugen af ​​hydroquinon som reduktionsmiddel, plus de forskellige mekanismer til at kontrollere deres størrelse og formatforhold.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Guld nanopartikler (AuNPs) er en af ​​de mest udbredte og lovende nanostrukturer, der skal anvendes i biomedicinske anvendelser. Deres anvendelse er afgørende i mange point-of-care in vitro diagnostiske produkter 1 De er blevet foreslået som et effektivt værktøj til en række andre forskellige applikationer:. Som et kontrastmiddel i billeddiagnostiske undersøgelser, 2 som et lægemiddelafgivelsessystem 3 og som lægemidler til lys-induceret termoterapi (eller photothermal terapi). 4. det store potentiale i AuNPs har kørt i de sidste tyve år, intens forskning i udviklingen af ny syntese, der er i stand til at øge kontrollen på størrelse og form opnås. 5 dette skyldes, at forskellige former for AuNPs er i virkeligheden mere egnede end andre til specifikke anvendelser.

Blandt de forskellige guld nanostrukturer, har guld nanorods (AuNRs) sig som en af ​​de mest interessante systemer. AuNRs er kendetegnet ved to Plasmonic fremkommet ved svingningen af elektroner langs den langsgående og de ​​tværgående akser, henholdsvis. 6 Det er især vigtigt, at positionen af den mest intense langsgående top kan indstilles præcist mellem 620 og 800 nm, afhængigt af billedformatet af stængerne . Denne region svarer den biologiske vindue, 7, hvor de humane væv næsten ikke absorberer lys, således at udviklingen af en række af in vivo fotoniske anvendelser, der involverer AuNPs.

På trods af en enorm interesse for denne type af nanostrukturer, lider de syntetiske protokoller til fremstilling af AuNRs af adskillige begrænsninger. I de fleste tilfælde er nanorods fremstillet ifølge en totrins-metode udviklet af Sau og medarbejdere. 8 i deres protokol, er nanorods syntetiseres ved at reducere guldioner der anvender ascorbinsyre i nærvær af forud dannede guld frø, sølvioner og en stor mængde af hexadecyl trimethylammoniumbromid (CTAB), acationic lineær overfladeaktivt middel.

Ulempen ved denne protokol er, at udbyttet af guldioner reduktion er forholdsvis lav (ca. 20%) 9, og at en stor mængde CTAB, et dyrt reagens, der tegner sig for mere end halvdelen af de samlede omkostninger for reagenserne i syntesen, er nødvendigt. Udviklingen af ​​en ny og mere effektiv syntesevej er derfra betragtes som et vigtigt behov, hvilket tillader spredning af biomedicinske metoder baseret på AuNRs.

I den første del af det nuværende papir, præsenterer vi en optimeret protokol til udarbejdelse af AuNR har et sideforhold på omkring tre. Syntesen er baseret på brugen af hydroquinon som et mildt reduktionsmiddel og det giver mulighed for udarbejdelse af AuNR med en næsten kvantitativ reduktion af guld ioner, der gør brug af en reduceret mængde CTAB. 10. Denne protokol til udarbejdelsen af AuNRs er baseret på en to-trins tilgang, hvor guld frø anvendes i en "vækst solution ".

I den anden del, vi vise, hvordan man finjustere størrelsen og skærmformat på det opnåede AuNR på to måder. Den første måde, der ligner den standardprotokol baseret på ascorbinsyre, er at variere mængden af ​​sølvioner til stede i "vækst løsning". Den anden måde er baseret på variationen af ​​mængden af ​​CTAB, der kan reduceres ned til en koncentration på 10 mM (tæt på den kritiske micellekoncentration rapporteret af leverandøren) for at opnå veldefinerede korte nanorods.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Syntese af guld nanorods

Bemærk: Brug meget renset vand overalt.

  1. Fremstilling af guld frø
    1. Opløs 364,4 mg hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB) i 5 ml vand, under ultralydbehandling ved 40 ° C, indtil opløsningen bliver klar. Lad CTAB opløsning afkøle til stuetemperatur.
    2. Separat forberede 5 ml tetrachlorguld syre (HAuCl 4) i vand (0,5 mM).
    3. Tilsæt HAuCl 4 løsning på CTAB-opløsning under kraftig magnetisk omrøring, idet temperaturen konstant ved 27 ° C.
    4. Forbered 600 pi natriumborhydrid (NaBH4) opløsning i vand (10 mM) ved 4 ° C. Føj denne løsning til blandingen under kraftig omrøring. Tjek om løsningens farve med det samme skifter fra gul til brunlig.
    5. Suspensionen omrøres i 20 minutter før brug. Opbevar frøene suspension ikke længere end 24 timer ved værelse temperatur.
    6. Check dimensionerne af frøene under anvendelse af en UV-Vis spektrofotometer. Sikre, at frøene er små nok (ca. 2 nm), der skal anvendes ved fremstillingen af ​​guld nanorods ved UV-synlig spektroskopi.
      Bemærk: Spectrum skal svare til, hvad der er rapporteret i figur 1 Større frø identificeret ved tilstedeværelsen af en plasmoniske højdepunkt omkring 505-520 nm må ikke anvendes, fordi de er tilbøjelige til at producere sfæriske nanopartikler..
  2. Forberedelse af "vækst løsning" af guld nanorods.
    1. Opløs 182,2 mg CTAB sammen med 22 mg hydroquinon i 5 ml vand ved 40 ° C under anvendelse af ultralydsbehandling. Afkøle opløsningen til 27 ° C.
    2. Forbered 200 pi 4 mM sølvnitrat (AgNO3) opløsning.
    3. Separat forberede 5 ml 1 mM opløsning af tetrachlorguld syre (HAuCl 4).
    4. Først tilføje sølvnitratopløsningen forberedt i trin 1.2.2. Derefter tilsæt HAuCl 4-opløsning fremstillet i trin 1.2.3 til opløsning af CTAB og hydroquinon fremstillet i trin 1.2.1 under magnetisk omrøring.
    5. Umiddelbart efter, tilføj under magnetisk omrøring 12 pi af frø suspensionen tidligere fremstillede ifølge protokollen rapporteret i trin 1.1 og lade reaktionen starte. Kontroller, om suspensionen skifter farve i omkring 30 min.
    6. Styr dannelsen af ​​nanorods ved at kontrollere UV-synlige spektrum af suspensionen, som beskrevet i afsnit 4, hver 5 min. Fortsæt indtil spektret er stabil. For at tillade fuldstændig dannelse af nanorods, forlader suspensionen under omrøring i yderligere 30 minutter (figur 2).
    7. Opdele suspension i rør (1 ml suspension til hvert rør) og centrifugeres ved 10.000 xg i 10 min. Guld nanorods danner en mørk bundfald i bunden af ​​røret.
    8. Resuspender bundfaldet af hvert rør i 1 ml vand. Bland indholdet af rørene og opbevar suspension af guld nanorods ved stuetemperatur.
    9. Karakterisere de opnåede nanorods ved UV-synlig spektroskopi og transmission elektronmikroskopi som beskrevet i afsnit 4 (figur 3).

2. Tuning Aspect Ratio af nanorods ved at variere koncentrationen af Ag + ioner

  1. Der fremstilles en sølvnitratopløsning med en koncentration på 4 mM, opløse 3,4 mg AgNO3 i 5 ml vand.
  2. Forbered i tre forskellige hætteglas Løsningen med CTAB og hydroquinon som beskrevet i afsnit 1.2.1 og tilsæt henholdsvis 100 pi, 150 pi eller 200 pi sølvnitratopløsning.
  3. Tilsæt HAuCl 4 fremstillet ifølge trin 1.2.3 og fortsætte med udarbejdelsen af guld nanorods som beskrevet fra punkt 1.2.5.
  4. Karakterisere de opnåede nanorods ved UV-synlig spektroskopi og transmission elektronmikroskopi. Hætteglas med lavere mængder af Ag + vil reSult i kortere nanorods (formatforhold på 2 og 2,2 henholdsvis) (figur 4).

3. Tuning Aspect Ratio af nanorods ved at variere koncentrationen af ​​CTAB

  1. Forbered forskellige batches af guld nanorods med forskellige koncentrationer af CTAB i "vækst løsning". Brug koncentrationer fra 10 mm til 100 mM til at producere guld nanorods har forskellig størrelse og formatforhold. Koncentrationerne af CTAB anvendt i hvert eksperiment er opsummeret i tabel 1 med den tilsvarende mængde milligram anvendes. Opløs forskellige mængder af CTAB altid med 22 mg hydroquinon i 5 ml vand.
  2. Tilsæt 200 pi sølvnitratopløsning (fremstillet ifølge trin 1.2.2) og 5 ml HAuCl 4-opløsning (fremstillet ifølge hvordan beskrevet i trin 1.2.3) i hvert hætteglas under magnetisk omrøring.
  3. Tilsættes 12 pi frø suspension og observere ændringen i farve af den endelige blanding.
  4. Stopomrøringen når suspensionen farve og UV-synlige spektrum er stabiliseret; reaktionstiden afhænger af koncentrationen CTAB i væksten opløsning.
  5. Centrifuger ved 10.000 xg i 10 minutter og resuspenderes i vand.
  6. Karakterisere de opnåede nanorods ved UV-synlig spektroskopi og transmission elektronmikroskopi. En lavere koncentration af CTAB vil resultere i kortere nanorods mens en højere koncentration vil give længere men større nanorods. På modsætning skærmformat af nanorods vil være højere i området omkring 40-50 mM og vil falde både ved lavere og højere koncentrationer (figur 5 og figur 6).

4. Karakterisering af guld nanorods

  1. UV-synlig spektroskopi
    1. Fortynd 100 pi nanorods opløsning med 400 pi vand i en plast mikro-kuvette og erhverve UV-synlige absorptionsspektrum (bølgelængdeområdet mellem 400 og 840 nm)ifølge producentens protokol.
    2. Indsamle UV-synlige spektre (bølgelængdeområdet mellem 400 og 840 nm) af væksten opløsning hver 5 min for at studere kinetikken af ​​reaktionen.
  2. Transmission Electron Microscopy (TEM)
    1. Saml TEM billeder af hver prøve af nanorods, til måling af størrelsen og skærmformat på de opnåede nanorods. Forberede prøverne ved at placere en dråbe suspension (4 pi) på et ultratyndt Formvar-coated 200-mesh kobbergitre og lad det tørre i luft ved 4 ° C. Analysere prøverne ved TEM under anvendelse af en accelerationsspænding på 200 kV ifølge producentens protokol.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

UV synlige spektre af guld frø kan ses i figur 1. UV synlige spektre opnået på forskellige tidspunkter efter injektionen af guld frø er vist i figur 2. UV synlige spektre og transmission elektronmikroskopisk (TEM) billeder af de opnåede guld nanorods er vist i figur 3. UV synlige spektre og transmission elektronmikroskopisk (TEM) billeder af guld nanorods med forskellige billedformater opnås ved at variere mængden af sølvioner er påvist i figur 4 og CTAB i væksten opløsning i figurerne 5 og 6. UV synlige spektre anvendes til at observere dannelsen af ​​de anisotrope guld nanopartikler og for at opnå en grov indikation af størrelsesforhold. TEM billeder anvendes til at bestemme morfologien af ​​nanostrukturer, at vurdere de nøjagtige sideforhold AuNRs og bevise krystalstrukturenaf guld.

figur 1
Figur 1. Guld frø. UV-synlige spektrum af guld frø fremstillet i overensstemmelse med afsnit 1.1. For at bevise, at dimensionen af frøene ikke er for stor, skal der være nogen tegn på plasmoniske top i området mellem 505 og 520 nm, der kendetegner plasmoniske nanopartikler, så dette tal viser tilstedeværelsen af meget små guld frø. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
. Figur 2. reaktionskinetik UV-synlige spektre af guld nanorods erhvervet på forskellige tidspunkter, da injektionen af guld frø (CTAB 50 mM; Ag + 200 pi). Spektrene viser en plasmoniske peak, der er oprindeligt meget rød flyttet, og at gradvis bevæger sig mod lavere bølgelængder med tiden, indtil den bliver stabil tyder på, at reaktionen er færdig efter ca. 30 minutter fra frø injektion. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Gold nanorods. TEM billede (til venstre) og UV-synlige spektrum (højre) af guld nanorods udarbejdet i henhold til protokollen 1.2. TEM-billede viser den aflange form af de opnåede nanopartikler, bekræftet ved tilstedeværelsen af ​​de to plasmoniske toppe i UV-synlige spektrum, der er forbundet med svingningen af ​​elektroner langs den langsgående og de tværgående akser. Scale bar af TEM billede er 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
. Figur 4. Gold nanorods TEM billede (venstre) og UV-synlige spektrum (højre) af guld nanorods fremstillet ifølge protokollen 2 under anvendelse af 200 pi (A); 150 pi (B) og 100 pi (C) af Ag + løsning i væksten opløsning. Som TEM billeder viser, at anvendelsen af en højere mængde Ag + i væksten opløsning resulterer i længere nanorods. Dette fremgår også af forskellene mellem de mest intense plasmoniske peak positioner i de tre partier af NR'er. Scale bar af TEM billeder er 100 nm. Klik her for at se en større version af dette tal.


. Figur 5. Gold nanorods TEM billede (venstre) og UV-synlige spektrum (højre) af guld nanorods fremstillet ifølge afsnit 3 under anvendelse af lavere koncentrationer af CTAB: 10 mM (A) og 20 mM (B) af CTAB i væksten løsning. Brugen af ​​et lavere beløb af CTAB i væksten løsning resulterer i kortere nanorods. Scale bar er 100 nm i alle billederne. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
. Figur 6. Guld nanorods TEM billede (til venstre) og UV-synlige spektrum (højre) af guld nanorods fremstillet ifølge § 3 bruger højere koncentrationer af CTAB: 60 mM (A); 80 mM ( (C) af CTAB i væksten opløsning. Anvendelsen af ​​en større mængde CTAB i væksten opløsning resulterer i nanorods der er længere, men produktiviteten lavere formatforhold. Faktisk TEM billeder her rapporterede viser, at bredden af ​​stængerne forhøjelser; der forårsager reduktionen af ​​formatforholdet. Scale bar er 100 nm i alle billederne. Klik her for at se en større version af dette tal.

Tabel 1
Tabel 1. CTAB koncentration. Mængden af CTAB anvendes til fremstilling af guld nanorods med forskellige størrelsesforhold opnået.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Protokollen præsenteres her gælder hydroquinon, en aromatisk molekyle kendetegnet ved en svag potentiel reduktion, for at producere guld nanorods. Der er to primære fordele ved den foreliggende protokol mod den mest almindeligt anvendte syntesevej baseret på anvendelsen af ascorbinsyre: den første er, at hydroquinon er i stand til næsten kvantitativt reducere guldioner mulighed for produktion af højere mængde guld nanorods 11. sidstnævnte er givet ved det faktum, at det kræver en mindre mængde CTAB og en efterfølgende væsentlig reduktion af omkostningerne. Denne protokol er baseret på en fremgangsmåde i to trin, der beskæftiger sig med en adskillelse af kernedannelse skridt fra væksten i nanorods. Vi har bemærket det er yderst vigtigt, at dimensionen af guld frø anvendte holdes omkring 3 nm som foreslået ved UV-synlig spektroskopi. 8 Tværtimod hvis der anvendes større frø med en dimension på 5 nm eller mere, vi uundgåeligt opnå kugleform nanopartikler.

Væksten af ​​guld nanorods kan let følges ved hjælp af UV-synlig spektroskopi. Stavformede partikler er karakteriseret ved spektre med to klare toppe svarende til de to forskellige dimensioner af stængerne. Desuden kan denne teknik anvendes til at opnå et første skøn over aspektforholdet af de opnåede stænger ifølge den empiriske lov:

AR = 0,0078 • PP - 3.3

hvor AR er den empiriske formatforhold bestemmes ved TEM billedanalyse og PP er positionen af plasmoniske top i forhold til længdeaksen udtrykt i nanometer. Tilstedeværelsen af ​​den anden plasmoniske top i det nær infrarøde område af spektret er nødvendigt at bekræfte produktionen af ​​anisotrope partikler. Det skal dog bemærkes, at AR er opnået ved denne ligning er blot en empirisk korrelation af de eksperimentelle resultater opnået ved anvendelse af TEM og UV-Synlig spektroskopi og skal bekræftes for hvert parti af AuNRs produceret. Efter UV-Visible spektroskopi bekræfter fuldstændig dannelse af AuNR, centrifugeres suspensionen for at fjerne overskuddet af CTAB til stede i væksten opløsning, og derefter stængerne suspenderes i rent vand, hvor de synes at være stabil i nogle få måneder ved stuetemperatur. TEM-analyse er også nødvendig til fuldstændig karakterisering af AuNR at indhente præcise oplysninger om længden og bredden.

Formatforholdet og størrelsen af ​​de opnåede nanopartikler kan finindstilles på to måder. I lighed med, hvad der almindeligvis gøres i syntesen af ​​AuNRs baseret på ascorbinsyre, mængden af ​​sølvioner i væksten opløsningen er i stand til at bestemme dannelsen af ​​mere eller mindre aflange former. Ag + inducerer en symmetri pause af de dannende nanorods når frøene nået en størrelse på omkring 5-6 nm. 12. Således er en større mængde sølvioner i vækstenløsning er i stand til at inducere dannelsen af ​​længere AuNRs. Når AuNRs med forskellige formatforhold er forberedt gennem denne tilgang, kan længden af ​​nanorods indstilles, men bredden er næsten konstant og er bare lidt nedsat, når de længste stænger (AR ≈ 3) er lavet. En anden vigtig parameter er mængden af ​​CTAB anvendt i væksten opløsning. Koncentrationen af ​​CTAB har vist sig at påvirke ikke blot formatforholdet men også størrelsen af ​​nanorods. Interessant, mens længden af ​​de opnåede nanorods lineært afhænger af koncentrationen af ​​CTAB, formatforholdet opfører sig forskelligt og højst observeres når CTAB ligger i området mellem 40 og 60 mM. Dette svarer til den kendsgerning, at bredden af ​​stængerne forbliver konstant ved lave CTAB-koncentrationer, men over 50 mM, stangen bredde begynder at stige forårsager reduktion af AR.

For at opsummere, demonstrerede vi, hvordan, ved at anvende hydroquinon som reduktionsmiddel, det er possible til fremstilling nanorods hjælp omkring halvdelen af ​​mængden af ​​CTAB i forhold til den fælles protokol baseret på reduktion af ascorbinsyre. På trods af, at denne tilgang er begrænset til fremstilling af relativt korte guld nanorods med et billedformat på mellem 2 og 3, forventer vi, at det let kunne vedtages af andre grupper. Dette skyldes, selvom den er baseret på en lille ændring af standard ascorbinsyre tilgang, kan denne metode drastisk forbedre AuNRs udbytte med en væsentlig reduktion af omkostningerne. Endvidere giver det en god og pålidelig styring af størrelse og billedformatet af de syntetiserede partikler. Derfor er alle af fordelene ved denne protokol kunne være nyttigt for en lettere og effektiv diffusion af nye medicinske anvendelser af nanopartikler, fordi dette mere bekvem syntesevej vil bidrage til at udvikle den biomedicinske tilgang, der gør brug af nanorods i klinisk praksis med potentielle fordele for patienter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Gold(III) chloride trihydrate Sigma Aldrich 520918
Hydroquinone Sigma Aldrich H17902
Silver Nitrate Sigma Aldrich 209139 toxic
Sodium Borohydride Sigma Aldrich 480886
Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) Sigma Aldrich H5882 Acute Tox. (oral). In this study we tested three different batches of CTAB (H5882) from Sigma Aldrich. Two of them were marked as made in China while one as made in India. In our experience only the batches marked as made in China were effective for the preparation of AuNR.
Spectrophotometer Thermo scientific  Nanodrop 2000C
TEM JEOL 2100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhou, W., Gao, X., Liu, D., Chen, X. Gold Nanoparticles for In Vitro Diagnostics. Chem Rev. 115, (19), 10575-10636 (2015).
  2. Bao, C., et al. Gold nanoprisms as optoacoustic signal nanoamplifiers for in vivo bioimaging of gastrointestinal cancers. Small. 9, (1), 68-74 (2013).
  3. Han, G., Ghosh, P., Rotello, V. M. Functionalized gold nanoparticles for drug delivery. Nanomedicine. 2, (1), 113-123 (2007).
  4. Choi, W. I., et al. Tumor regression in vivo by photothermal therapy based on gold-nanorod-loaded, functional nanocarriers. ACS Nano. 5, (3), 1995-2003 (2011).
  5. Langille, M. R., Personick, M. L., Zhang, J., Mirkin, C. A. Defining Rules for the Shape Evolution of Gold Nanoparticles . J. Am. Chem. Soc. 134, (35), 14542-14554 (2012).
  6. Lohse, S. E., Murphy, C. J. The Quest for Shape Control: A History of Gold Nanorod Synthesis. Chem. Mater. 25, (8), 1250-1261 (2013).
  7. Weissleder, R. A clearer vision for in vivo imaging. Nat. Biotech. 19, (4), 316-317 (2001).
  8. Sau, T. K., Murphy, C. J. Seeded High Yield Synthesis of Short Au Nanorods in Aqueous Solution. Langmuir. 20, (15), 6414-6420 (2004).
  9. Ratto, F., Matteini, P., Rossi, F., Pini, R. Size and shape control in the overgrowth of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 12, 2029-2036 (2010).
  10. Morasso, C., et al. Control of size and aspect ratio in hydroquinone-based synthesis of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 17, 330-337 (2015).
  11. Vigderman, L., Zubarev, E. R. High-yield synthesis of gold nanorods with longitudinal SPR peak greater than 1200 nm using hydroquinone as a reducing agent. Chem. Mater. 25, (8), 1450-1457 (2013).
  12. Walsh, M. J., Barrow, S. J., Tong, W., Funston, A. M., Etheridge, J. Symmetry breaking and silver in gold nanorod growth. ACS Nano. 9, (1), 715-724 (2015).
Hydroquinon Based Syntese af guld nanorods
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Picciolini, S., Mehn, D., Ojea-Jiménez, I., Gramatica, F., Morasso, C. Hydroquinone Based Synthesis of Gold Nanorods. J. Vis. Exp. (114), e54319, doi:10.3791/54319 (2016).More

Picciolini, S., Mehn, D., Ojea-Jiménez, I., Gramatica, F., Morasso, C. Hydroquinone Based Synthesis of Gold Nanorods. J. Vis. Exp. (114), e54319, doi:10.3791/54319 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter